基于BIM技術(shù)的綜合管廊全生命周期典型問題應(yīng)對研究

張楠

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院）

1 引言

綜合管廊作為一種集約化的市政管線解決方案，能加快災(zāi)情響應(yīng)、增強區(qū)域韌性、改善城市環(huán)境，對中國進一步城鎮(zhèn)化發(fā)展和城市基礎(chǔ)服務(wù)能力的提高有著重要作用。但由于國內(nèi)綜合管廊行業(yè)發(fā)展時間較短，規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)、運維各階段所涉及的影響因素又紛繁復(fù)雜，導(dǎo)致管廊在其全生命周期的各階段均面臨各種各樣的問題，如“規(guī)劃過量或不足”“建設(shè)周期過長”“功能設(shè)置缺失”“管線入廊困難”“運維管理無序”等，嚴重制約了綜合管廊功能的有效發(fā)揮。

BIM（建筑信息模型）是一種集成模型及信息的數(shù)字應(yīng)用技術(shù)。就目前國內(nèi)情況而言，BIM 在住宅建設(shè)、商業(yè)開發(fā)、軌道交通等領(lǐng)域均有了較多運用，但在綜合管廊全生命周期上的應(yīng)用還較少[1]。因此，本文通過對國內(nèi)一些綜合管廊案例的分析，從規(guī)劃設(shè)計、施工、運維階段討論目前管廊開發(fā)建設(shè)中存在的典型問題，并淺談BIM 技術(shù)的引入將提供怎樣的針對性解決方案。

2 綜合管廊全生命周期典型問題分析

2.1 規(guī)劃、設(shè)計階段

綜合管廊規(guī)劃設(shè)計主要包含基坑、結(jié)構(gòu)、電氣、自控、智能化、暖通、消防、排水、標識標牌等專業(yè)，同時需考慮管廊建設(shè)與相關(guān)道路、管線、橋梁、地塊開發(fā)、地下空間、軌道交通等的關(guān)系，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，以下梳理了設(shè)計過程中易出現(xiàn)的問題。

1）與相關(guān)規(guī)劃協(xié)同性差

各市政管線專項規(guī)劃制定時，通常還沒有綜合管廊的建設(shè)計劃，管線的規(guī)劃布置均勻分散。而當綜合管廊專項規(guī)劃編制后，各市政管線專項規(guī)劃常常未能及時地做出調(diào)整，導(dǎo)致了規(guī)劃間的沖突。管廊與道路的規(guī)劃也常因建設(shè)時序的不統(tǒng)一導(dǎo)致問題頻出。

2）各專業(yè)間存在沖突

管廊各專業(yè)設(shè)計圖紙常因溝通不到位，易出現(xiàn)錯誤和沖突。如“爬梯護籠影響支架敷設(shè)”“落水管處支架未加長”“照明消防設(shè)備布置未預(yù)留機器人巡檢通道”“預(yù)留洞口遺漏”“尺寸標注錯誤”等。此類問題經(jīng)常造成施工停滯甚至破除返工。

3）內(nèi)部空間布置不合理

綜合管廊的部分功能節(jié)點內(nèi)部空間復(fù)雜，以交叉口為例，需考慮相交管廊的管線連接、人員互通，同時還要保證每條管廊空間獨立、互不影響。更有部分功能集成式交叉口，還需同時兼顧通風(fēng)、設(shè)備吊裝、管線引出、供配電、人員逃生等功能。如何在最小的空間內(nèi)滿足所有功能同時保證互不沖突，設(shè)計難度大，考慮不到位易出現(xiàn)局部不合理的情況[2]。

4）管廊設(shè)計與外部要素不協(xié)調(diào)

管廊建設(shè)對道路、直埋管線、橋梁、地塊開發(fā)、地下空間、軌道交通、人防工程等都具有重大影響。就調(diào)查的工程實例而言，管廊設(shè)計與相關(guān)外部設(shè)計間的協(xié)調(diào)性較差，易出現(xiàn)各種沖突。如“管廊引出排管與道路直埋排管標高沖突”“管廊口部標高與綠化標高沖突”“管廊布置與橋梁樁基定位沖突”“管廊設(shè)計未按要求考慮人防”等。

另一方面，作為管廊建成后的實際使用者，各入廊管線設(shè)計對管廊設(shè)計影響巨大，但目前管線設(shè)計常常嚴重滯后于管廊設(shè)計，甚至存在管廊施工完成后尚未開展入廊管線設(shè)計的情況，造成了管廊大量后期的變更、改建，造成資源浪費。

2.2 施工階段

綜合管廊為線性工程，施工作業(yè)面大、周期長、環(huán)境影響控制要求高，且100 年的設(shè)計使用年限對管廊施工質(zhì)量提出了較高的要求，以下梳理了施工階段存在的典型問題。

1）施工組織能力有待加強

綜合管廊施工時面臨諸如“土建各工種協(xié)調(diào)施工”“安裝工種與土建工種協(xié)調(diào)施工”“管廊安裝與管線入廊同步施工”“不同管線單位協(xié)調(diào)施工”等多種施工組織問題，其中涉及質(zhì)量控制、人員安全、資產(chǎn)管理、風(fēng)險防控等多方面，據(jù)目前國內(nèi)管廊實例調(diào)查結(jié)果顯示，相關(guān)施工組織能力普遍有待加強[3]。

2）施工質(zhì)量有待加強

管廊施工過程中常出現(xiàn)諸如“預(yù)留洞口缺失”“結(jié)構(gòu)滲漏”“設(shè)備安裝定位錯誤”“設(shè)備間相互沖突”“口部標高偏差”等各種問題，這些問題導(dǎo)致的返工修正，都將嚴重浪費建設(shè)成本和人力資源，且有些問題，如結(jié)構(gòu)滲漏，一旦出現(xiàn)，將影響管廊整個使用期，難以完全修復(fù)。

3）與周邊協(xié)同建設(shè)能力差

在國內(nèi)，管廊建設(shè)通常和新區(qū)開發(fā)同步實施，這就意味著管廊施工時需同步考慮相關(guān)道路、管道、橋梁、周邊建筑物等的施工情況。如何協(xié)同施工以實現(xiàn)“避免新建道路二次開挖”“管道敷設(shè)和管廊施工同槽共坑”“周邊建構(gòu)筑物與管廊同步施工時相互影響最小”等，需要包括管廊在內(nèi)的所有參建單位共同提高協(xié)同建設(shè)能力。

2.3 運維階段

綜合管廊的運維管理是一個復(fù)雜的工程，涉及結(jié)構(gòu)本體監(jiān)測，入廊管線管理，通風(fēng)、照明、供電、消防、排水、標識、監(jiān)控、報警等設(shè)備的維護，人員組織，資料處理等，根據(jù)對國內(nèi)目前已投入運行的管廊的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)各地的運維管理都存在一些問題。

1）信息化程度不足

目前管廊運維管理中，部分工作仍采用人工紙質(zhì)記錄的方式，工作效率和協(xié)同度不高。此外，由于現(xiàn)場記錄的紙質(zhì)文件經(jīng)常未能及時歸檔，導(dǎo)致資料大量缺失，不利于后期運維推進。

2）協(xié)同管理效率低

入廊管線的信息系統(tǒng)和管廊運維管理系統(tǒng)采用的標準不同，相互之間難以進行信息的有效共享，信息孤島化問題嚴重，協(xié)同效率低[4]。此外，存在部分城市建設(shè)多條管廊但未采用統(tǒng)一管理標準的情況，導(dǎo)致多條管廊只能各自安排運維管理人員，制定不同的管理細則，無法統(tǒng)一。

3）數(shù)據(jù)處理能力弱

管廊運維過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大，但同時又非常分散，關(guān)聯(lián)性不強。目前，管廊的管理系統(tǒng)普遍還是以二維形式呈現(xiàn)設(shè)備的運行狀態(tài)，信息顯示不夠直觀，涉及同一事件的各項信息通常分布在多個不同的界面，運維人員快速準確地處理此類信息、獲取管廊運行狀態(tài)并識別災(zāi)情預(yù)警的難度大，操作尤其是應(yīng)急操作時相當不便利，嚴重影響響應(yīng)速度。

3 BIM技術(shù)的應(yīng)用

通過對上述管廊生命周期各階段的典型問題的分析，本文認為造成各問題的核心矛盾可歸為幾點。

①傳統(tǒng)設(shè)計分析針對復(fù)雜邊界條件的整合、處理、協(xié)同能力弱。

②傳統(tǒng)二維分析的平面化工作流缺少三維可視化功能，無法提前模擬，易引起錯漏碰缺。

③傳統(tǒng)管理模式的全盤統(tǒng)籌和細節(jié)處理的能力均有待加強。

④傳統(tǒng)管理模式缺少信息存儲、處理、分析平臺，無法集中進行模塊化利用。

而BIM 技術(shù)通過一系列先進的理念和技術(shù)手段，可以為解決上述矛盾提供方向，下文對此展開論述。

3.1 BIM設(shè)計協(xié)同管理平臺

通過搭建服務(wù)于綜合管廊建設(shè)項目的BIM設(shè)計協(xié)同管理平臺，可實現(xiàn)跨區(qū)域、跨部門、跨單位、跨專業(yè)間的高效協(xié)同。依托于圖元級協(xié)同設(shè)計環(huán)境，可構(gòu)建在任何時間，任何地點對工程信息的輕量化安全訪問、溝通、處理機制，如圖1 所示。徹底打破傳統(tǒng)設(shè)計分析時的信息壁壘和信息延遲，實現(xiàn)對相關(guān)復(fù)雜邊界信息的快速收集和分析，進而提高設(shè)計準確性和可靠性。

圖1 設(shè)計協(xié)同管理平臺實時查看、批注功能示意

規(guī)劃階段運用此平臺，可以更高效準確地分析相關(guān)上位規(guī)劃和近遠期需求，提高規(guī)劃制定準確性。也能在規(guī)劃過程中，實時對接相關(guān)市政管線專項規(guī)劃，做到多規(guī)同步調(diào)整，也便于更前瞻性地分析規(guī)劃落地可行性。

設(shè)計階段運用此平臺，最大的優(yōu)勢在于解決管廊設(shè)計和外部要素不協(xié)調(diào)的問題。通過將管廊、道路、管線、橋梁、地塊開發(fā)、地下空間、軌道交通、人防工程等所有相關(guān)的要素納入統(tǒng)一平臺，形成關(guān)聯(lián)模型，并實時聯(lián)動變更，可大大減少各單位溝通過程中對時間和空間的依賴，提高溝通效率的同時，增加準確性，如圖2所示。同時，平臺對于提高管廊自身各專業(yè)間的溝通協(xié)同能力也有巨大作用，減少專業(yè)間錯漏碰缺的發(fā)生[5]。

圖2 管廊與外部要素相對關(guān)系，節(jié)點優(yōu)化分析

3.2 三維協(xié)同設(shè)計

三維協(xié)同設(shè)計基于標準化、模塊化的三維參數(shù)資源庫，利用軟件協(xié)同環(huán)境開展設(shè)計[6]。其有別于傳統(tǒng)二維設(shè)計，大大提高了專業(yè)間的協(xié)調(diào)性和設(shè)計方案的指導(dǎo)性，有效減少了重復(fù)工作、效率低下、錯漏頻出的問題，如圖3所示的工作井管線設(shè)計。

圖3 三維協(xié)同管線設(shè)計

以該技術(shù)應(yīng)用于管線綜合設(shè)計為例，如圖4 所示，當所有結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管線呈現(xiàn)在一個三維模型內(nèi)，是否存在沖突或不合理處將變得清晰可見，模型可根據(jù)需求實時地調(diào)整，確保各專業(yè)無誤后再生成施工圖，避免了工作的反復(fù)。

圖4 管線綜合設(shè)計

3.3 基于BIM+GIS的建設(shè)協(xié)同管理平臺

基于BIM+GIS技術(shù)搭建建設(shè)協(xié)同管理平臺，可涵蓋業(yè)主、勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)理、材料供應(yīng)商等參建各方的建設(shè)行為、勘察成果、設(shè)計圖紙、模型、技術(shù)資料、各類文檔日志等。同時整合管廊及管廊周邊相關(guān)道路、管道、橋梁、建筑物等外部要素的BIM 模型[7]。一方面有效提高施工協(xié)同性，以實現(xiàn)“避免新建道路二次開挖”“管道敷設(shè)和管廊施工同槽共坑”“周邊建構(gòu)筑物與管廊同步施工時相互影響最小”等需求，另一方面有助于提高施工組織管理能力，解決質(zhì)量控制、人員安全、資產(chǎn)管理、風(fēng)險防控等各方面問題。

其次，還可利用BIM三維可視化特點，針對項目的復(fù)雜施工難題進行專項施工方案模擬，實現(xiàn)先模擬后施工，降低施工難度和返工頻率，提高效率[8]。

3.4 管廊智能運維管理平臺

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（IoT）可實現(xiàn)監(jiān)測目標與互聯(lián)網(wǎng)的連接[9]，高效地獲取非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)所蘊含的有效信息。再通過對龐大數(shù)據(jù)的深度處理和綜合分析，幫助運維人員及時、高效、準確地做出決策。

通過BIM輕量化及可視化技術(shù)將大量復(fù)雜數(shù)據(jù)（如資產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)施設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)、統(tǒng)計分析的結(jié)果）進行疊加，并以三維模型圖像方式進行表達，有效提高運維人員讀取、利用數(shù)據(jù)的效率[10]。

通過移動互聯(lián)技術(shù)和信息化臺賬管理，幫助管理人員隨時隨地獲得通知、掌握信息、上傳工作記錄，保持移動端與運維管理平臺信息同步，實現(xiàn)高效溝通，如圖5所示。

圖5 移動端可視化管理

4 結(jié)語

本文對綜合管廊全生命周期各階段存在的典型問題進行了分析，并從問題產(chǎn)生的根源上討論了BIM技術(shù)的引入對管廊建設(shè)的積極影響，通過“BIM設(shè)計協(xié)同管理平臺”“三維協(xié)同設(shè)計”“基于BIM+GIS的建設(shè)協(xié)同管理平臺”“管廊智能運維管理平臺”等技術(shù)的合理運用，綜合管廊全生命周期的表現(xiàn)將會得到巨大提升。而如何在現(xiàn)有的傳統(tǒng)建設(shè)框架下，適時適度地推進BIM 技術(shù)在綜合管廊上的應(yīng)用，并最終達成真正的信息化建設(shè)是值得深思和努力的。